Тяжелые изотопы плутония
В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента — с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240Pu практически бесполезен — это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций — элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен
Работа с ним требует исключительной осторожности.
Один из самых интересных изотопов плутония — 242Pu можно получить, облучая длительное время 239Pu в потоках нейтронов. 242Pu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах
Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-252 потребуется около 20 лет.
Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!
Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках… Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от америция до фермия.
Всякий раз, когда ученым удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)
С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точкой этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая — с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 млн. лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 млн. лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы 5 млрд, лет назад Земля целиком состояла из 244Pu, сейчас во всей массе Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах, происходивших при формировании нашей планеты.
Распространённость химических элементов в природе
Основная статья: Распространённость химических элементов
Распространённость химических элементов в земной коре (% масс.) — кларковые числа
Из химических элементов наиболее распространены в земной коре кислород и кремний. Эти элементы вместе с элементами алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород и титан составляют более 99 % массы земной оболочки, так что на остальные элементы приходится менее 1 %. В морской воде, помимо кислорода и водорода — составных частей самой воды, высокое содержание имеют такие элементы, как хлор, натрий, магний, сера, калий, бром и углерод. Массовое содержание элемента в земной коре называется кларковым числом или кларком элемента.
Содержание элементов в коре Земли отличается от содержания элементов в Земле, взятой как целое, поскольку химсоставы коры, мантии и ядра Земли различны. Так, ядро состоит в основном из железа и никеля. В свою очередь, содержания элементов в Солнечной системе и в целом во Вселенной также отличаются от земных. Наиболее распространённым элементом во Вселенной является водород, за ним идёт гелий. Исследование относительных распространённостей химических элементов и их изотопов в космосе является важным источником информации о процессах нуклеосинтеза и об эволюции Солнечной системы и небесных тел.
Повышение мощности производственных реакторов
Изначально первый реактор «Маяк» функционировал с мощностью 100 тепловых МВт. Однако главный руководитель советской программы по разработке ядерного оружия Игорь Курчатов внес предложение, которое заключалось в том, чтобы реактор в зимнее время работал с мощностью 170-190 МВт, а в летний период времени – 140-150 МВт. Такой подход позволил реактору производить почти 140 граммов драгоценного плутония в сутки.
В 1952 году были проведены полноценные научно-исследовательские работы, с целью увеличения производственной мощности функционирующих реакторов такими методами:
- Путем увеличения потока воды, используемой для охлаждения и протекающей через активные зоны ядерной установки.
- Посредством наращивания сопротивления явлению коррозии, возникающей вблизи вкладыша каналов.
- Уменьшением скорости окисления графита.
- Наращиванием температуры внутри топливных элементов.
В итоге пропускная способность циркулирующей воды значительно возросла после того, как был увеличен зазор между топливом и стенками канала. От коррозии также удалось избавиться. Для этого выбрали наиболее подходящие алюминиевые сплавы и начали активно добавлять бихромат натрия, что, в конечном счете, повысило мягкость охлаждающей воды (рН стал равен порядка 6.0-6.2). Окисление графита перестало быть актуальной проблемой после того, как для его охлаждения стали применять азот (до этого использовался исключительно воздух).
На закате 1950-х нововведения были полностью реализованы на практике, что позволило уменьшить вызываемое радиацией крайне ненужное раздувание урана, значительно снизить тепловое упрочнение стержней из урана, улучшить сопротивление оболочки и повысить контроль качества производства.
Известные химические элементы
Основная статья: Периодическая система элементов
На декабрь 2016 года известно 118 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые — лишь в следовых количествах), остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций. Предпринимаются попытки синтеза следующих сверхтяжёлых трансурановых элементов, в том числе были заявления о синтезе элемента унбиквадий (124) и косвенные свидетельства об элементах унбинилий (120) и унбигексий (126), которые пока не подтверждены. Также было объявлено об обнаружении элемента экатория-унбибия (122) в образцах природного тория, однако это заявление впоследствии не подтверждено на основании последующих попыток воспроизведения данных с использованием более точных методов. Кроме того, есть сообщения об открытии в метеоритном веществе следов столкновений с частицами с атомными числами от 105 до 130, что может являться косвенным доказательством существования стабильных сверхтяжёлых ядер. Поиски сверхтяжёлых трансурановых элементов в природе, возможных согласно теории острова стабильности, пока не увенчались достоверным успехом, а синтезирование новых трансурановых элементов продолжается в российском, американских, немецком и японском центрах ядерных исследований силами международных коллективов учёных. Информация об ещё не открытых химических элементах доступна в статье Расширенная периодическая таблица элементов.
Синтез новых (не обнаруженных в природе) элементов, имеющих атомный номер выше, чем у урана (трансурановых элементов), осуществлялся вначале с помощью многократного захвата нейтронов ядрами урана в условиях интенсивного нейтронного потока в ядерных реакторах и ещё более интенсивного — в условиях ядерного (термоядерного) взрыва. Последующая цепочка бета-распадов нейтроноизбыточных ядер приводит к росту атомного номера и появлению дочерних ядер с атомным номером Z > 92. Таким образом были открыты нептуний (Z = 93), плутоний (94), америций (95), берклий (97), эйнштейний (99) и фермий (100). Кюрий (96) и калифорний (98) также могут быть синтезированы (и практически получаются) этим путём, однако открыты они были первоначально с помощью облучения плутония и кюрия альфа-частицами на ускорителе. Более тяжёлые элементы, начиная с менделевия (101), получаются только на ускорителях, при облучении актиноидных мишеней лёгкими ионами.
Право предложить название новому химическому элементу предоставляется первооткрывателям. Однако это название должно удовлетворять определённым правилам. Сообщение о новом открытии проверяется в течение нескольких лет независимыми лабораториями, и, в случае подтверждения, Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК; англ. International Union for Pure and Applied Chemistry, IUPAC) официально утверждает название нового элемента.
Все известные на декабрь 2016 года 118 элементов имеют утверждённые ИЮПАК постоянные названия. От момента заявки на открытие до утверждения названия ИЮПАК элемент фигурирует под временным систематическим названием, производным от латинских числительных, образующих цифры в атомном номере элемента, и обозначается трёхбуквенным временным символом, образованным от первых букв этих числительных. Например, 118-й элемент, оганесон, до официального утверждения постоянного названия носил временное название унуноктий и символ Uuo.
Неоткрытые или неутверждённые элементы часто называются с помощью системы, использованной ещё Менделеевым, — по названию вышестоящего гомолога в периодической таблице, с добавлением префиксов «эка-» или (редко) «дви-», означающих санскритские числительные «один» и «два» (в зависимости от того, на 1 или 2 периода выше находится гомолог). Например, до открытия германий (стоящий в периодической таблице под кремнием и предсказанный Менделеевым) назывался эка-кремнием, оганесон (унуноктий, 118) называется также эка-радоном, а флеровий (унунквадий, 114) — эка-свинцом.
Свойства плутония (таблица): температура, плотность, давление и пр.:
| 100 | Общие сведения | |
| 101 | Название | Плутоний |
| 102 | Прежнее название | |
| 103 | Латинское название | Plutonium |
| 104 | Английское название | Plutonium |
| 105 | Символ | Pu |
| 106 | Атомный номер (номер в таблице) | 94 |
| 107 | Тип | Металл |
| 108 | Группа | Актиноид. Переходный, радиоактивный металл. Трансурановый элемент |
| 109 | Открыт | Гленн Теодор Сиборг, Артур Валь, Джозеф Уильям Кеннеди и Эдвин Маттисон Макмиллан, США, май 1940 г. |
| 110 | Год открытия | 1940 г. |
| 111 | Внешний вид и пр. | Тяжёлый, хрупкий, радиоактивный металл серебристо-белого цвета. Тёплый на ощупь. Радиотоксичен |
| 112 | Происхождение | Получен путем синтеза |
| 113 | Модификации | |
| 114 | Аллотропные модификации |
7 аллотропных модификаций:
– α-плутоний, – β-плутоний, – γ-плутоний, – δ-плутоний, – δ’-плутоний, – ε-плутоний, – ζ-плутоний |
| 115 | Температура и иные условия перехода аллотропных модификаций друг в друга | |
| 116 | Конденсат Бозе-Эйнштейна | |
| 117 | Двумерные материалы | |
| 118 | Содержание в атмосфере и воздухе (по массе) | 0 % |
| 119 | Содержание в земной коре (по массе) | 0 %. В земной коре встречается в следовых количествах |
| 120 | Содержание в морях и океанах (по массе) | 0 % |
| 121 | Содержание во Вселенной и космосе (по массе) | 0 % |
| 122 | Содержание в Солнце (по массе) | 0 % |
| 123 | Содержание в метеоритах (по массе) | 0 % |
| 124 | Содержание в организме человека (по массе) | 0 % |
| 200 | Свойства атома | |
| 201 | Атомная масса (молярная масса) | 244,0642 а. е. м. (г/моль) |
| 202 | Электронная конфигурация |
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14
5s2 5p6 5d10 5f6 6s2 6p6 7s2 |
| 203 | Электронная оболочка |
K2 L8 M18 N32 O24 P8 Q2 R0
|
| 204 | Радиус атома (вычисленный) | |
| 205 | Эмпирический радиус атома* | 151 |
| 206 | Ковалентный радиус* | 187пм |
| 207 | Радиус иона (кристаллический) |
Pu3+
114 (6) пм, Pu4+ 100 (6) пм, Pu5+ 88 (6) пм, Pu6+ 85 (6) пм (в скобках указано координационное число – характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле) |
| 208 | Радиус Ван-дер-Ваальса | 200 пм |
| 209 | Электроны, Протоны, Нейтроны | 94 электрона, 94 протона, 150 нейтрона |
| 210 | Семейство (блок) | элемент f-семейства |
| 211 | Период в периодической таблице | 7 |
| 212 | Группа в периодической таблице | 3-я группа (по старой классификации – побочная подгруппа 3-ей группы) |
| 213 | Эмиссионный спектр излучения | |
| 300 | Химические свойства | |
| 301 | Степени окисления | +2, +3, +4, +5, +6, +7 |
| 302 | Валентность | III, IV, V, VI, VII |
| 303 | Электроотрицательность | 1,28 (шкала Полинга) |
| 304 | Энергия ионизации (первый электрон) | 581,4 кДж/моль (6,02576(25) эВ) |
| 305 | Электродный потенциал |
Pu3+ + 3e– → Pu, Eo = -2,031 В,
Pu4+ + e– → Pu3+, Eo = +0,967 В |
| 306 | Энергия сродства атома к электрону | |
| 400 | Физические свойства | |
| 401 | Плотность* |
19,816 г/см3 (при 20 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело) – α-плутоний,
16,63 г/см3 (при температуре плавления 639,4 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость) |
| 402 | Температура плавления* | 639,4 °C (912,5 K, 1182,9 °F) |
| 403 | Температура кипения* | 3228 °C (3505 K, 5842 °F) |
| 404 | Температура сублимации | |
| 405 | Температура разложения | |
| 406 | Температура самовоспламенения смеси газа с воздухом | |
| 407 | Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл)* | 2,82 кДж/моль |
| 408 | Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип)* | 333,5 кДж/моль |
| 409 | Удельная теплоемкость при постоянном давлении | |
| 410 | Молярная теплоёмкость* | 35,5 Дж/(K·моль) |
| 411 | Молярный объём | 12,12 см³/моль |
| 412 | Теплопроводность |
6,74 Вт/(м·К) (при стандартных условиях),
6,74 Вт/(м·К) (при 300 K) |
| 500 | Кристаллическая решётка | |
| 511 | Кристаллическая решётка #1 | α-плутоний |
| 512 | Структура решётки |
Моноклинная
|
| 513 | Параметры решётки | a = 6,183 Å, b = 4,822 Å, c = 10,963 Å, β = 101,8° |
| 514 | Отношение c/a | |
| 515 | Температура Дебая | 162 K |
| 516 | Название пространственной группы симметрии | P121/m1 |
| 517 | Номер пространственной группы симметрии | 11 |
| 900 | Дополнительные сведения | |
| 901 | Номер CAS | 7440-07-5 |
Примечание:
205* Эмпирический радиус атома плутония согласно и составляет 159 пм и 162 пм соответственно.
206* Ковалентный радиус плутония согласно составляет 187±1 пм.
401* Плотность всех аллотропных модификаций плутония согласно варьируется от 15,9 г/см3 до 19,86 г/см3 (состояние вещества – твердое тело).
402* Температура плавления плутония согласно и составляет 639,7 °C (912 K, 1182 °F) и 640 °C (913,15 K, 1184 °F) соответственно.
403* Температура кипения плутония согласно и составляет 3235 °C (3507 K, 5855 °F).
407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл) плутония согласно и составляет 2,8 кДж/моль и 2,824 кДж/моль соответственно.
408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип) плутония согласно и составляет 343,5 кДж/моль и 351 кДж/моль соответственно.
410* Молярная теплоемкость плутония согласно составляет 32,77 Дж/(K·моль).
Плутоний-238: применение
На самом деле этот изотоп является побочным продуктом плутония-239. А он, в свою очередь, выступает главным компонентом в составе ядерного оружия. В эпоху холодной войны, которая и послужила причиной космической гонки, с какой-то стороны это было очень удобно. Например, плутоний-239 производился в Южной Каролине для создания ядерных бомб. А его побочный продукт отдавался для производства космических спутников и зондов. После того как производитель в Южной Каролине под названием «Саванна-Ривер» был закрыт, Штаты начали закупать изотоп у России.
Плутоний-238 – это идеальное топливо, используемое для космических исследований. Его излучение является радиоактивным. Но, находясь в другом материале, изотоп относительно безопасен. Например, часто плутоний-238 заключают в иридиевые гранулы. Они светятся красным светом, и от них исходит большое количество тепла. Пока иридиевые гранулы сохраняют целостность, изотоп является безопасным. Гранулы помещают в особые генераторы, которые способствуют превращению тепла в электричество. Благодаря этому космические спутники до сих пор исследуют космические просторы, ведь процесс выработки электричества таким образом может длиться целыми десятилетиями.
Угроза, к счастью, миновавшая Россию
Осенью 2016 года уже ожидалось падение американского спутника под названием UARS, который, по счастливой случайности, пролетел мимо. Предполагалось несколько дат падения объекта – сначала это было 17 сентября, затем – 23-е. В новостях по каким-то причинам не было сказано, что фактически это даже не спутник, а самая настоящая ядерная бомба. Скорее всего, это было сделано, чтобы не распространять панику среди населения. Ведь этот спутник наполнял плутоний-238. Фото космического объекта позволяет предположить, что размеры UARS сопоставимы с размерами троллейбуса.
По прогнозам NASA, он должен был упасть в средней полосе России. Если бы это действительно произошло, в течение нескольких дней порядка 300 тыс. человек в Москве могли бы умереть от отека легких. Но UARS по какой-то причине задержался и упал на землю лишь 24 сентября, рухнув в воды океана недалеко от Канады. Плутония-238 в нем было порядка 30 кг. Канаду уже не первый раз посещает смертоносный космический спутник. В первый раз правительству удалось сбить приближающийся объект на подлете к континенту, и он также упал в океан.
5. Применение
На конец году в мире было произведено около 1270 тонн плутония, из них 257 тонн – для вооруженного использования, для которого пригоден только изотоп 239 Pu. Возможно применение 239 Pu как топлива в ядерных реакторах, но он проигрывает урана по экономическим показателям. Стоимость переработки ядерного топлива для добычи плутония намного больше, чем стоимость низкообогащенного (~ 5% 235 U) урана. Программа энергетического использования плутония имеет только Япония.
5.1. Аллотропные модификации
| Фаза | Плотность | Диапазон устойчивости ( C) |
|---|---|---|
| α | 19.84 | стабильная ниже 122 C |
| β | 17.8 | 122 – 206 C |
| γ | 17.2 | 224 – 300 |
| δ δ1 | 15.9 | 319 – 476 |
| ε | 17.0 | 476 – 641 C (точка плавления) |
| расплав | 16.65 | 641 C – до кипиня |
В твердом виде плутоний имеет семь аллотропных модификаций (однако фазы δ и δ1 иногда объединяют и считают одной фазе). При комнатной температуре плутоний представляет собой кристаллическую структуру, которая называется α-фаза. Атомы связаны ковалентной связью (вместо металлического), поэтому физические свойства ближе к минералам чем к металлам. Это твердый, хрупкий материал, ломается в определенных направлениях. Имеет низкую теплопроводность среди всех металлов, низкую электропроводность, за исключением марганца. α-фаза не поддается обработке обычными для металлов технологиями.
При изменениях температуры в плутонии происходит перестройка структуры и он испытывает чрезвычайно сильные изменения. Некоторые переходы между фазами сопровождаются просто поразительными изменениями объема. В двух из этих фаз (δ и δ1) плутоний обладает уникальным свойством – отрицательный температурный коефициент расширения, т.е. он сжимается с увеличением температуры.
У гамма и дельта фазах плутоний проявляет обычные свойства металлов, в частности ковкость. Однако в дельта-фазе плутоний проявляет нестабильность. Под небольшим давлением он пытается осесть в плотную (на 25%) альфа-фазу. Это свойство используют в имплозийних устройствах ядерного оружия.
В чистом плутонии под давлением свыше 1 килобар дельта-фаза вообще не существует. Под давлением более 30 килобар существуют только альфа-и бета-фазы.
5.2. Металлургия плутония
Плутоний можно стабилизировать в дельта-фазе при обычном давлении и комнатной температуры путем образования сплава с трехвалентными металлами, такими как галлий, алюминий, церий, индий в концентрации несколько молярных процентов. Именно в таком виде плутоний применяют в ядерном оружии.
5.3. Вооруженный плутоний
Для производства ядерного оружия нужно достичь чистоты нужного изотопа (235 U или 239 Pu) более 90%. Создание зарядов из урана требует многих стадий обогащения (так, что доля 235 U в природном уране составляет менее 1%), в то время как доля 239 Pu в реакторном плутонии обычно составляет от 50% до 80% (т.е. почти в 100 раз больше ). А в некоторых режимах работы реакторов можно получить плутоний, содержащий более 90% 239 Pu – такой плутоний не требует обогащения и может использоваться для изготовления ядерного оружия непосредственно.
Название и особенности
«Оружейным» его называют, чтобы отличить от «реакторного». Плутоний образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или низкообогащённом уране, содержащем в основном изотоп 238U, при захвате им избыточных нейтронов. Но по мере работы реактора оружейный изотоп плутония быстро выгорает, в итоге в реакторе накапливается большое количество изотопов 240Pu, 241Pu и 242Pu, образующихся при последовательных захватах нескольких нейтронов — так как обычно определяется экономическими факторами. Чем меньше глубина выгорания, тем меньше изотопов 240Pu, 241Pu и 242Pu, будет содержать плутоний, выделенный из облучённого ядерного топлива, но тем меньшее количество плутония в топливе образуется.
Специальное производство плутония для оружия, содержащего почти исключительно 239Pu, требуется, в основном, потому, что изотопы с массовыми числами 240 и 242 создают высокий нейтронный фон, затрудняющий конструирование эффективных ядерных боеприпасов, кроме того, 240Pu и 241Pu имеют существенно меньший период полураспада, чем 239Pu, из-за чего плутониевые детали нагреваются, и в конструкцию ядерного боеприпаса приходится дополнительно вводить элементы теплоотвода. Дополнительно, продукты распада тяжёлых изотопов портят кристаллическую решётку металла, что может привести к изменению формы деталей из плутония, что чревато отказом ядерного взрывного устройства.
В принципе, все эти затруднения преодолимы, и были успешно испытаны ядерные взрывные устройства из «реакторного» плутония, однако, в боеприпасах, где не последнюю роль играет компактность, малый вес, надёжность и долговечность, применяется исключительно специально произведённый оружейный плутоний. Критическая масса металлических 240Pu и 242Pu весьма велика, 241Pu — несколько больше, чем у 239Pu.
Реакторы АВ
На предприятии “Челябинск-65” три реактора АВ было решено построить осенью 1948 года. Их производственная мощность составляла 200-250 грамм плутония в день. Главным конструктором проекта был А. Савин. Каждый реактор насчитывал 1996 каналов, 65 из них были контрольными. В установках была использована техническая новинка – каждый канал снабдили специальным детектором утечки охлаждающей жидкости. Такой ход позволил менять вкладыши без прекращения работы самого реактора.
Первый год функционирования реакторов показал, что они вырабатывали порядка 260 граммов плутония в сутки. Однако уже со второго года работы мощность постепенно наращивали, и уже в 1963 году ее показатель составил 600 МВт. После второго капитального ремонта была полностью решена проблема с вкладышами, а мощность уже составила 1200 МВт с ежегодным производством плутония 270 килограмм. Эти показатели сохранились до полного закрытия реакторов.
Символы химических элементов
Основная статья: Символы химических элементов
Символы химических элементов используются как сокращения для названия элементов. В качестве символа обычно берут начальную букву названия элемента и в случае необходимости добавляют следующую или одну из следующих. Обычно это начальные буквы латинских названий элементов: Cu — медь (cuprum), Ag — серебро (argentum), Fe — железо (ferrum), Au — золото (aurum), Hg — ртуть (hydrargirum). Такая система химических символов была предложена в 1814 году шведским химиком Я. Берцелиусом. Временные символы элементов, использующиеся до официального утверждения их постоянных названий и символов, состоят из трёх букв, означающих латинские названия трёх цифр в десятичной записи их атомного номера (например, унуноктий — 118-й элемент — имел временное обозначение Uuo). Используется также система обозначений по вышестоящим гомологам, описанная выше (Eka-Rn, Eka-Pb и т. п.).
Цифрами меньшего размера возле символа элемента обозначаются: слева вверху — атомная масса, слева внизу — порядковый номер, справа вверху — заряд иона, справа внизу — число атомов в молекуле:
| атомная масса | заряд иона | |
| Символ элемента | ||
|---|---|---|
| порядковый номер | число атомов в молекуле |
Примеры:
- H2{\displaystyle {\mathsf {H_{2}}}} — молекула водорода, состоящая из двух атомов водорода
- Cu2+{\displaystyle {\mathsf {Cu^{2+}}}} — ион меди с зарядом 2+
612C{\displaystyle {\mathsf {^{12}_{6}C}}} — атом углерода с зарядом ядра, равным 6 и атомной массой, равной 12.
В Периодической таблице карточка химического элемента обычно включает следующие характеристики:
- 1 — обозначение химического элемента.
- 2 — русское название.
- 3 — порядковый номер химического элемента, равный количеству протонов в атомном ядре.
- 4 — атомная масса: среднее значение атомной массы устойчивых изотопов в земной коре или атомная масса наиболее долгоживущего изотопа (для радиоактивных элементов).
- 5 — распределение электронов по энергетическим уровням.
- 6 — электронная конфигурация.
Технологические недостатки
Практически сразу были выявлены довольно серьёзные проблемы, которые заключались в коррозии алюминиевых вкладышей и покрытия топливных элементов. Также разбухали и повреждались урановые стержни и вытекала охлаждающая вода непосредственно в сердцевину реактора. После каждой протечки реактор приходилось останавливать на время до 10 часов с целью осушить графит воздухом. В январе 1949 года были заменены вкладыши в каналы. После этого запуск установки произошел 26 марта 1949 года.
Оружейный плутоний, производство которого на реакторе А сопровождалось всяческими трудностями, вырабатывался в период 1950-1954 годов при средней мощности агрегата 180 МВт. Последующая работа реактора начала сопровождаться более интенсивным его использованием, что вполне закономерно привело и к более частым остановкам (до 165 раз в месяц). В итоге, в октябре 1963 года реактор был остановлен и возобновил свою работу лишь весной 1964 года. Свою кампанию он полностью закончил в 1987 году и за весь период многолетнего функционирования произвел 4,6 тонны плутония.
Важная информация
По заверениям ученых, полураспад оружейного плутония составляет порядка 24 360 лет. Огромная цифра! В связи с этим особо острым становится вопрос: «Как же правильно обойтись с отходами производства данного элемента?» Наиболее оптимальным вариантом считается постройка специальных предприятий для последующей переработки оружейного плутония. Объясняется это тем, что в таком случае элемент уже нельзя будет использовать в военных целях и будет подконтролен человеку. Именно так проводится утилизация оружейного плутония в России, однако Соединенные Штаты Америки пошли другим путем, нарушив тем самым свои международные обязательства.
Так, американское правительство предлагает уничтожать высокообогащенное ядерное топливо не промышленным способом, а путем разбавления плутония и хранения его в специальных емкостях на глубине равной 500 метрам. Само собой, что в таком случае материал легко можно будет в любой момент извлечь из земли и вновь пустить его на военные цели. Как утверждает президент РФ Владимир Путин, изначально страны договаривались уничтожать плутоний не таким методом, а проводить утилизацию на промышленных объектах.
Отдельного внимания заслуживает стоимость оружейного плутония. По оценкам экспертов, десятки тонн этого элемента вполне могут стоить несколько миллиардов американских долларов. А некоторые специалисты ми вовсе оценили 500 тонн оружейного плутония аж в 8 триллионов долларов. Сумма реально впечатляющая. Чтобы было понятнее, насколько это большие деньги, скажем, что в последние десять лет 20 века среднегодовой показатель ВВП России составлял 400 миллиардов долларов. То есть, по сути, реальная цена оружейного плутония равнялась двадцати годовым ВВП Российской Федерации.
Образование
Большинство химических элементов (94 из известных 118) были найдены в природе (в земной коре), хотя некоторые из них были вначале получены искусственно (а именно: технеций Tc (порядковый номер 43), прометий Pm (61), астат At (85), а также трансурановые нептуний Np (93) и плутоний Pu (94); эти пять элементов после их искусственного создания были в исчезающе малых количествах обнаружены и в природе; они возникают как промежуточные ядра при радиоактивном распаде урана и тория, а также при захвате ураном нейтронов и последующем бета-распаде). Таким образом, в земной коре наличествуют (в очень разных концентрациях) все первые 94 элемента таблицы Менделеева.
Среди этих 94 химических элементов, обнаруженных в земной коре, большинство (83) является первичными, или примордиальными; они возникли при нуклеосинтезе в Галактике до образования Солнечной системы, и у этих элементов есть изотопы, которые являются либо стабильными, либо достаточно долгоживущими, чтобы не распасться за прошедшие с этого момента 4,567 млрд лет. Остальные 11 природных элементов (технеций, прометий, полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, протактиний, нептуний и плутоний) являются радиогенными — они не имеют настолько долгоживущих изотопов, поэтому все существующие в земной коре природные атомы этих элементов возникли при радиоактивном распаде других элементов.
Все элементы, следующие после плутония Pu (порядковый номер 94) в периодической системе Д. И. Менделеева, в земной коре полностью отсутствуют, хотя некоторые из них могут образовываться в космосе во время взрывов сверхновых[источник не указан 1916 дней]. Периоды полураспада всех известных изотопов этих элементов малы по сравнению с временем существования Земли. Многолетние поиски гипотетических природных сверхтяжёлых элементов пока не дали результатов.
Большинство химических элементов, кроме нескольких самых лёгких, возникли во Вселенной главным образом в ходе звёздного нуклеосинтеза (элементы до железа — в результате термоядерного синтеза, более тяжёлые элементы — при последовательном захвате нейтронов ядрами атомов и последующем бета-распаде, а также в ряде других ядерных реакций). Легчайшие элементы (водород и гелий — почти полностью, литий, бериллий и бор — частично) образовались в первые три минуты после Большого взрыва (первичный нуклеосинтез).
Одним из главных источников особо тяжёлых элементов во Вселенной должны быть, согласно расчётам, слияния нейтронных звёзд, с выбросом значительных количеств этих элементов, которые впоследствии участвуют в образовании новых звёзд и их планет.
См. также: Нуклеосинтез и Трансмутация
